Resistencia
03 Dec, 2011
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PDFResistencia e temperatura
PRESENTACIÓN: A resistencia eléctrica dun obxecto é unha medida da súa oposición ao paso de corrente e depende da temperatura. Este efecto pode analizarse quentando o filamento dunha lámpada cunha chama e observando como varía a resistencia cun polímetro conectado aos seus bornes.
- Temperature of a lightbulb filament, Bruce Denardo, Phys. Teach. 40, 101 (2002)
- Graphite pencil line for exploring resistance, Lawrence D. Woolf and Holger H. Streckert, Phys. Teach. 34, 440 (1996)
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Efectivamente existe una relación entre a Resistencia eléctrica ao paso da corrente e a Temperatura. Cando nun circuíto eléctrico se produce un aumento da Temperatura, prodúcese ao mesmo tempo un incremento da resistencia eléctrica, polo que se reduce o paso de corrente eléctrica (Intensidade). Observamos ademais que a intensidade e a resistencia son inversamente proporcionais, como mostra a seguinte fórmula:
I=V/R
No seguinte vídeo pódese ver de maneira moi clara a influencia que exerce o incremento da temperatura sobre a intensidade nun circuíto eléctrico básico, que como acabamos de explicar é inversamente proporcional á resistencia. A experiencia realízase con dous condutores de diferente natureza (cobre e unha aliaxe metálica) o cal responden de maneira moi diferente ante o aumento da temperatura.
Con este exercicio queda claro que a temperatura inflúe directamente na resistencia que ofrece un condutor o seu paso pola corrente eléctrica. A maior temperatura a resistencia incrementase, mentres que a menor temperatura diminúe. Seria interesante comentarlle os alumnos que a resistencia que ofrecen os metais o paso da corrente eléctrica desaparece a unha temperatura especifica, chamada “resistencia cero” seria a supercondutividade.
Este vídeo muestra cómo un aumento de la temperatura aumenta la resistencia eléctrica de los materiales conductores. Esto es así en la mayoría de los metales, pero no en otros materiales. Este tipo de consideraciones son fundamentales a la hora de diseñar un circuito eléctrico, dependiendo de las condiciones ambientales donde vaya a trabajar (en un medio con altas o bajas temperaturas). Además, el propio paso de los electrones genera pérdidas de energía en forma de calor, aumentando la temperatura del material conductor. Este es el efecto Joule y se ve en otra entrada. Por lo tanto este video ilustra un efecto bien conocido en la vida diaria.
En este fenómeno se basan los termómetros de resistencia conocidos como RTDs por sus siglas en inglés (resistance temperature detector). Son termómetros muy utilizados en la industria, ya que a pesar de tener un tiempo de respuesta relativamente lento, presentan un amplio rango de medida con alta precisión.
Efectivamente el valor de la resistencia depende de la temperatura y es posible cuantificar la variación de dicho valor. Para ello se emplea la siguiente fórmula:
R=R0·(1+α·ΔT)
Siendo
R la resistencia a una temperatura T.
R0 el valor de la resistencia de referencia.
α el coeficiente de temperatura de la resistencia eléctrica.
ΔT variación de temperatura entre la de referencia y la temperatura a la cual se quiere conocer el valor de la resistencia.
El coeficiente de temperatura de la resistencia eléctrica es un parámetro característico de cada material y expresa el cambio que se produce en el valor de la resistencia cuando la temperatura aumenta o disminuye 1 K, por tanto sus unidades en el Sistema Internacional son [1/K]. En este enlace hay una tabla con valores del coeficiente de temperatura a 293 K de distintos materiales.
Continuando con un hilo en el que se hablan de las termorresistencias, que son resistencias que varían con la temperatura (sensores), me parece importante explicar el funcionamiento de una PT100 (componente ampliamente utilizado en la industria para aplicaciones como pueden ser la medición de temperaturas en distintos procesos de alimentación). La PT100 presenta una resistencia de 100 Ω a una temperatura de 0 °C. Esta resistencia varía de manera casi lineal (dependiendo de la sensibilidad del sensor elegido) con respeto a la temperatura, por lo tanto midiendo la resistencia de la RTD se puede conocer la temperatura del dispositivo en todo momento. En el enlace que dejo de un blog, se explica el principio de funcionamiento de las termorresistencias, así como su gráfica de funcionamiento y principales variedades en el mercado de los sensores de temperatura.
Con bombillas de filamento incandescente de tungsteno y carbono se puede demostrar como varia la temperatura en función de la resistencia eléctrica. Para un filamento de tungsteno se observa que la resistencia eléctrica aumenta con la temperatura del filamento, es un metal. En cambio, para un filamento de carbono se observa que la resistencia eléctrica disminuye con la temperatura, demostrando así que es un semimetal.
Entiendo que este principio es que hace que los semiconductores de los procesadores de los teléfonos móviles pierdan rendimiento cuando el dispositivo se calienta, entorpeciendo su uso. Es por ello que se lucha constantemente por mantener una adecuada refrigeración en los equipos informáticos que, con sistemas más complejos, como la refrigeración líquida, se puede llegar a obtener rendimientos verdaderamente elevados (a expensas, esos sí, de un mayor consumo energético por parte del sistema de frío). Sea como fuere, el vídeo del experimento es muy ilustrativo porque se apoya en un medio visual como es el pequeño punto de luz para explicar la fórmula expuesta en el quinto comentario.
Sabemos que en los metales y aleaciones, la resistividad aumenta con la temperatura: a mayor temperatura, mayor resistividad, y por tanto, menor conductividad. Se podría usar este experimento para introducir la idea de los superconductores. Los superconductores son materiales en los que la resistencia eléctrica es nula y no se produce disipación de calor, por lo que toda la energía eléctrica que circula por ellos es aprovechada. Esta característica ofrece muchas ventajas para su aplicación técnica y tecnológica permitiendo diseños de sistemas eléctricos más compactos y fiables en los que desaparece el riesgo de sobrecalentamiento o cortocircuito y en los que no se producen pérdidas de energía. Una buena referencia podría ser.